辐射防护与放射损伤基础知识.ppt

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1、辐射防护与放射损伤基础知识,山东大学齐鲁医院 程孝国,主要内容,第一节 辐射防护基础知识 第二节 放射损伤基础知识,第一节 辐射防护基础知识,一、核辐射物理学基础 二、辐射源及其分类 三、核和放射事件分级 四、辐射防护体系,一、核辐射物理学基础1、放射性,、原子结构 原子核：占原子体积的1/10000 质子，中子， 1.007277u ，1.008665u 电子： 围绕原子核旋转，0.000548u 1u=12/NA1/12=1.6605655l0-27kg NA=6.022045l023是阿伏伽德罗常数 原子序数：质子数，在元素周期表中的位置 同位素：原子序数相同而质量数不同的核素,电子的壳

2、层结构,钨原子的能级示意图 能量单位:eV,放射性：不稳定的核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。 发出的射线种类：可能有射线、射线、射线，还可能有正电子，质子，中子等其他粒子。 原子序数从84起的所有元素都是不稳定的，具有天然放射性；而原子序数小于84的元素只有少量的某些同位素是不稳定的，具有天然放射性；人工产生的同位素都是不稳定的，具有人工放射性。,放射性衰变：不稳定的重核元素趋向稳定的过程。 例如： 放射性衰变服从指数规律。 放射性活度：放射性核素在单位时间内衰变的个数。 半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目 一

3、半所需的时间 T1/2=ln2/=0.693/ 衰变类型：衰变 衰变 跃迁和内转换,天然放射性系： 釷系、铀镭系和锕系 感生放射性： 核粒子轰击较轻的元素可以产生放射性元素 例如：,2、电离辐射,电离辐射：是指一切能引起物质电离的辐射总称。 辐射按与物质作用分类： 电离辐射 非电离辐射 辐射按本质和性质分类： 电磁辐射 粒子辐射,电磁辐射：以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波 能引起电离的是X射线和射线 粒子辐射：高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质 高速粒子、带电粒子,电磁辐射,电离辐射,粒子辐射,X,射线,、中子 质子、负,电磁辐射-波谱,3、常用辐

4、射量和单位,照射量：是描述X（）射线电离空气能力的量 单位是C/kg，未定义专用名，曾用单位是伦琴（R），1R=2.5810-4C/kg,吸收剂量：是描述射线与物质作用的基本量。 它定义为单位质量受照射物质吸收的辐射能量。 曾用单位是拉德 （rad），现在国际单位是焦耳/ 千克（J/kg），又称戈瑞（Gray，符号是Gy）， 1Gy=1J/kg，1Gy=100rad,当量剂量是描述辐射防护剂量学的基本量，是在严格意义上的吸收剂量。机体组织中某一点的当量剂量（H）等于某一组织或器官所接受的平均的吸收剂量（D），经过以辐射质的辐射权重因子（辐射品质Q）加权处理的吸收剂量： HDQN， N为其他修正

5、因数（ICRP指定N为1） 单位为J/kg，专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，旧单位：雷姆，rem 1Sv=1J/kg=100rem,有效剂量E就是组织或器官的当量剂量HT与组织权重因子WT的乘积，并对所有器官或组织求和，即 E =WTHT 式中，HT、WT分别是器官或组织T的当量剂量和组织权重因子。组织权重因子是组织或器官T的随机效应危险系数与全身均匀照射总危险系数的比值。,4、电离辐射与物质的相互作用,带电粒子与物质原子发生以下几种作用： （1）与核外电子发生非弹性碰撞； （2）与原子核发生非弹性碰撞； （3）与原子核发生弹性碰撞； （4）与原子核发生核反应。,X（）射线与物质

6、主要发生三种作用机制 ： （1）光电吸收 ，主要发生在射线能量较低的情况，在1030keV的能量范围占优势。,（2）康普顿散射 ，康普顿效应的发生率与原子序数没有太大关系，而主要取决于电子密度，在30keV25MeV的能量范围占优势。,（3）电子对效应 ，光子能量超过1.02MeV才能发生这种吸收,其它还有相干散射 、光核反应,中子与原子核的相互作用分为两大类： 散射： 吸收：包括辐射俘获、核裂变、（n，） 和（n，p）反应等。 对于某些重核（如235U和239Pu），其热中子引起 的核反应主要有两种类型: 1.“辐射俘获”，即（n,）反应， 例如235U（n,）236U; 2.裂变反应，即2

7、35U俘获热中子后发生裂变中 子在物质中有较强的贯穿能力。,二、辐射源及其分类1、放射源的种类,放射治疗使用的放射源主要有三类： （1）放射性同位素放出的、线。 （2）X射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X射线。 （3）各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负介子束，以及其他重离子束等。 照射方式有两种： （1）外照射；（2）内照射,2、近距离治疗用放射性同位素,3、钴-60治疗机,组成： （1）、一个密封的钴-60放射源； （2）、一个源容器及防护机头； （3）、具有开关的遮线器装置； （4）、具有定向限束的准直器； （5）、支持机头的治疗机架； （6）、治疗床； （7）、计时器及运动

8、控制系统； （8）、辐射安全及联锁系统。,4、医用直线加速器,医用电子加速器主要有电子感应加速器、电子直线加速器、电子回旋加速器。 1937年第一台1MV范德格喇夫加速器安装在美国波士顿Huntington纪念医院。 1943年D.W.Kerst提出用电子感应加速器作放射治疗。1949年安装了第一台20MV电子感应加速器。 1944年V.I.Veksler提出使用电子回旋加速方法,直到60年代才得到首次使用了22MeV的MM22型加速器。1946年D.W.Fry介绍了行波直线加速器， 1952年安装使用了第一台8MV固定型射频微波直线加速器。 我国首台医用10MV直线加速器于1978年诞生。

9、直线加速器保留了电子感应加速器的优点，克服了它的缺点，是目前放疗中的主流设备。,三、核和放射事件分级1、辐射事故类型,辐射事故是指放射源丢失、被盗、失控，或者放射性同位素和射线装置失控导致人员受到意外的异常照射。 辐射事故的类型，按发生原因可分为： 责任事故、技术事故和其它事故。 按其性质可分为超剂量照射事故、表面污染事故、丢失放射性物质事故、超临界事故和放射性泄露事故。 按发生的途径主要是核设施事故、核技术应用中发生事故、放射性物质运输中的事故。,（一）类放射源为极高危险源。没有防护情况下，接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡; （二）类放射源为高危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时至几

10、天可致人死亡; （三）类放射源为危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至几周也可致人死亡; （四）类放射源为低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤; （五）类放射源为极低危险源。不会对人造成永久性损伤。,Co-60 800Ci 8Ci 800mCi 8mCi 2.7Ci,2、辐射事故的危害及产生危害途径,危害途径主要有： （1）来自辐射源或设施的直接外照射 （2）事故释放的气载放射性物质的直接外照射 （3）沉降于地面或物体表面上的放射性物质产生外照射 （4）皮肤和衣物的污染产生的照射 （5）吸入气载

11、放射性物质产生的内照射 （6）饮用受污染的水引起的内照射 （7）食入污染的食品引起的内照射,3、辐射事故分级,放射性同位素与射线装置安全和防护条例根据辐射事故的性质、严重程度、可控性和影响范围等因素从重到轻将辐射事故分为： 特别重大辐射事故 重大辐射事故 较大辐射事故 一般辐射事故,特别重大辐射事故：指I类、II类放射源丢失、被盗、失控造成大范围严重辐射污染后果，或者放射性同位素和射线装置失控导致3人以上（含3人）急性死亡；,重大辐射事故：指I类、II类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致2人以下（含2人）急性死亡或10人以上（含10人）急性重度放射病、局部器官残疾；,较大

12、辐射事故：指III类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致9人以下（含9人）急性重度放射病、局部器官残疾；,一般辐射事故 ：指IV类、V类放射源丢失、被盗、失控或者放射性同位素和射线装置失控导致人员受到超过年剂量限值的照射。,四、辐射防护体系1、辐射防护的基本原则,辐射防护需遵循下述几项原则： 辐射实践正当化 辐射防护最优化 个人剂量限值 外照射防护的基本方法： 时间、距离、屏蔽,2、辐射防护体系的应用,（1）职业照射防护体系 我国基本标准GB18871-2002规定，应对任何工作人员的职业照射水平进行控制，不能超过下述限值：由审管部门决定的连续5年内的年平均有效剂量20mS

13、v；任何一年内的有效剂量50mSv；眼晶体的年当量剂量150mSv；四肢或皮肤的年当量剂量500mSv。,（2）医疗照射防护体系 我国基本标准GB18871-2002中，对实践正当性的表述是“对于一项实践，只有在考虑了社会、经济和其它有关因素之后，其对受照个人和社会所带来的利益足以弥补其可能引起的放射危害时，该实践才是正当的。”,（3）公众照射防护体系 年龄为16-18岁的人员，为了学习目的或培训的目的有可能使用放射源而受到放射照射，不能超过下述限值：年有效剂量6mSv；眼晶体的年当量剂量50mSv；四肢或皮肤的年当量剂量150mSv。 公众照射剂量限值，不能超过下述限值：年有效剂量1mSv；

14、特殊情况下，如果5个连续年的年平均剂量不超过1mSv，则某一单一年份的有效剂量可提高到5mSv；眼晶体的年当量剂量15mSv；四肢或皮肤的年当量剂量50mSv。 慰问者及探视人员的剂量限值：患者的慰问者在患者诊断或治疗期间所受的剂量不超过5mSv。,第二节 放射损伤基础知识,一、电离辐射损伤的化学基础 二、电离辐射损伤的分子生物学基础 三、放射损伤的影响因素 四、生物剂量学指标 五、辐射生物效应,一、电离辐射损伤的化学基础1、自由基,自由基是指能独立存在的、含有一个或一个以上不配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。 自由基的特性： 高反应性： 带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配

15、对 电子的趋势，因此化学性质活泼 不稳定性： 寿命短不稳定 顺磁性： 当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向 相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。,2、直接作用与间接作用,直接作用（direct effect）概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。 特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上。,间接作用（indirect effect）概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（H，OH，水合电子等），再作用于生物

16、大分子引起后者的物理和化学变化。 特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子,3、氧效应与氧增强比, 氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。 氧 + 自由基 过氧化物自由基 (R00) 在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。 氧增强比（oxygen enhancement radio,OER）是指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值。其公式是：,OER= 缺氧条件下产生一定效应的剂量 有氧条件下产生同样效应的剂量, 氧效应的发生机制：氧具有双重作用。 氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基

17、，如果有氧存在，辐射产生的自由基迅速与氧分子结合，形成一种妨碍靶分子生物功能的集团 ROO。 辐射 O2 R R ROO 电子转移假说： 辐射靶分子游离电子（两种可能） 回到靶分子原位自愈 转移到一个电子陷阱部位靶分子损伤,氧浓度对氧效应的影响: 有氧条件下细胞放射敏感性增高 氧分压从0上升至1，放射敏感性迅速增加 增至21或至100时，敏感性处于坪值 照射时间对氧效应的影响: 照射前引入氧，表现出氧效应 照射后引入氧，无效,氧效应生物学意义： 许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。,4

18、、靶学说和靶分子,靶学说的要点是从生物物理学的角度，认为某些分子或细胞内的敏感结构（靶）被电离粒子击中而引致生物效应的发生。靶学说指出了最终生物效应与原初生物物理变化存在确切的相依关系。虽然有多种靶学说，表述不是严格统一，但都具有以下基本点： （1）生物结构内存在着对辐射敏感的部分，称为“靶”，其损伤将引起某种生物效应； （2）电离辐射以粒子簇的形式撞击靶区，击中概率遵循泊松分布； （3）单次或多次击中靶区可产生某种放射生物效应，如生物大分子失活或断裂。 用靶学说的公式推算一些蛋白质、核酸、酶等生物大分子的分子量，所得结果与采用其它方法测得者较为吻合。但靶学说有很大的局限性，它所提出的条件和假

19、定的情况与生物结构中的真实情况相比，过于简单和机械化，其适用范围受到限制。,单击模型：生物大分子或细胞的敏感靶区被电离粒子击中一次即足以引起生物大分子的失活或细胞的死亡，这就是所谓的单击效应。因此，存活的概率是剂量的指数函数 S/S0=e-D/D0 S是大分子的原始数，S0为受D剂量照射后仍存活的分子数。D0是大分子平均击中一次所需要的剂量。 多击模型：有的生物分子和多数细胞的剂量存活曲线不呈指数下降，被认为其靶区需要受到二次或二次以上的击中才会失活，这就是多击效应。,5、辐射增敏及辐射防护,辐射增敏及辐射防护从本质上讲都是用化学手段来修饰某一生物系统的放射敏感性。 增加其放射敏感性或降低其辐

20、射耐受性属于辐射增敏； 反之，降低其放射敏感性或增加其辐射耐受性属于辐射防护。,辐射增敏剂是指能够增加机体或细胞的敏感性，在与射线合并应用时能增加照射致死效应的化学物质。 主要有DNA前体碱基类似物、乏氧细胞增敏剂、巯基抑制剂、类氧化合物等。 辐射防护剂是指机体或某一生物系统受电离辐射照射前后，早期给予某种化学物质能减轻其辐射损伤，促进其恢复的化学物质。 主要是一些硫氢化合物。,二、电离辐射损伤的分子生物学基础1、辐射所致DNA损伤,DNA是电离辐射的重要的靶分子之一。电离辐射对DNA结构的影响比较复杂，其辐射分解产物也是多种多样。从碱基损伤到糖基破坏，所导致的后果是：DNA断裂链，DNA交联

21、及整个或部分高级结构的变化，最终影响其生物学功能。,链断裂是电离辐射所致DNA损伤中较常见的重要形式。 单链断裂：DNA双螺旋结构中一条链断裂； 双链断裂：两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂。 DNA链间交联：DNA双螺旋结构中一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合； DNA链内交联：DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合； DNA蛋白质交联：DNA与蛋白质以共价键结合。,2、辐射引起的DNA功能与代谢变化,电离辐射引起DNA结构的各种损伤之后，这些结构的损伤必将引起DNA功能改变与代谢变化。 辐射对噬菌体DNA感染性的灭活作用 辐射对DNA转化活力的影响 辐射对DNA生物合

22、成的抑制作用与机制 辐射对DNA降解过程的作用,3、染色质的辐射生物效应,染色质是指真核细胞间期的核中DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量RNA所组成的复合体。在细胞间期，核内的染色质经常伸展为一般光学显微镜看不到的不规则网状结构。在有丝分裂期，染色质的细纤丝高度压缩，浓集成为光学显微镜下可看到的深染的染色体。因此，染色质和染色体是细胞周期中不同时期的两种不同形态，其化学本质是相同的。,4、DNA辐射损伤的修复,绝大多数正常细胞都能修复DNA单链断裂。 关于DNA双链断裂是否能够得到修复的研究结果似乎不完全一致。近年来有不少资料证明，哺乳动物细胞大多数都能进行此种修复，但需要适宜的代谢条件和时间。

23、 损伤的碱基虽然可被修复，但只是部分修复，并非完全修复。 细胞受电离辐射作用后经过一段时间保温，可以观察到DNA合成修复，这种合成不同于细胞增殖过程中的DNA复制，它的合成量相当低，与细胞周期没有关系。,回复修复：细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复，在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成，这种修复方式叫做回复。 其机制包括酶学光复活、单链断裂重接及嘌呤的直接插入等。,切除修复：切除修复的特点是将损伤部位（或连同其附近的一定部位）切除，然后用正确配对的完好的碱基来替代。这是修复DNA损伤最为普遍的方式。其过程比直接回复要复杂的多，有多种酶和基因参与。 基本步骤可归纳为：识别，切

24、除，修补，连接。,三、放射损伤的影响因素1、与辐射有关的因素,(1)辐射的种类：电离密度和穿透能力 (2) 辐射剂量：一般情况存在剂量效应关系（非线性） (3) 辐射的剂量率 ：单位时间接受的照射剂量 (4)分次照射：效应低于一次照射 (5)照射部位：腹部盆腔头颈胸部四肢 (6)照射面积：照射面积越大，效应越显著 (7)照射方式：内照射、外照射（单向或多向）、混合照射,2、与机体有关的因素,（1）种系的放射敏感性 种系演化越高，机体组织结构越复杂，放射敏感性越高 （2）个体发育的放射敏感性 敏感性随个体发育过程而逐渐降低 十日法规：对育龄妇女下腹部的X射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天

25、内进行，以避免对妊娠子宫的照射 （3）不同器官、组织和细胞的放射敏感性 Bergonie 和 Tribondeau 定律（后面） （4）亚细胞和分子水平的放射敏感性 细胞核的敏感性高于胞浆 DNA mRNA rRNA tRNA 蛋白质,Bergonie 和 Tribondeau 定律： 一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比，而与其分化程度成反比。 （1）高度敏感组织：淋巴组织、胸腺、骨髓、胃肠上皮、性腺、胚胎组织。 （2）中度敏感组织：感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮（3）轻度敏感组织：中枢神经系统；内分泌腺、心脏 （4）不敏感组织： 肌组织、软骨和骨等,3、与环境有关的因素,（1）温度：

26、机体受照射时，其內外环境温度的改变，可直接影响辐射生物学效应，称其为温度效应。进行放射治疗之前，先提高肿瘤组织局部温度，其放疗疗效有明显提高。 其原因：温度造成动物体內氧状況的改变； 温度引起体内新陈代谢水平的改变； 在低温或冰冻状況下，溶液中自由基 扩散受阻。 （2）氧：受照组织、细胞或溶液系统的辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称为氧增强效应。目前为提高肿瘤组织对辐射的敏感性，利用辐射“氧效应”这一特性提高放射治疗效果。,（3）化学物质 在溶液体系中，由于其它物质的存在而使一定剂量的辐射对溶质的损伤效应降低称为防护效应。细胞的培养体系中或机体体液中在照前含有辐射防护剂，可减轻

27、自由基反应，促进损伤生物分子修复，能减弱生物效应。反之，如含有辐射增敏剂，可增强自由基化学反应，阻止损伤分子和细胞修复，能提高辐射效应。,四、生物剂量学指标,生物剂量测定：用生物学方法对受照个体的吸收剂量进行测定。 生物剂量计：与照射剂量间呈良好量效关系的用来估算受照剂量的生物学体系。,外周血染色体畸变分析：染色体畸变是反映电离辐射损伤的敏感指标之一，可以借助离体照射人外周血淋巴细胞建立染色体畸变的剂量-效应曲线，估算事故受照人员的受照剂量。 其它的生物剂量测定方法有早熟凝聚染色体（PCC）分析、CB法微核分析、稳定性染色体畸变（易位）分析、HPRT基因位点突变分析等。,五、辐射生物效应1、确

28、定性效应,确定性效应（deterministic effect）：指发生生物效应的严重程度随着电离辐射剂量的增加而增加的生物效应。这种生物效应存在剂量阈值，只要照射剂量达到或超过剂量阈值效应肯定发生。 如照射后的白细胞减少、白内障、皮肤红斑脱毛等辐射皮肤损伤均属于确定性效应。,2、随机性效应,随机性效应（stochastic effect）：指生物效应的发生概率（而不是其严重程度）与照射剂量的大小有关的生物效应。这种效应在个别细胞损伤（主要是突变）时即可出现，不存在剂量阈值。 如辐射致癌、遗传效应。,3、影响生物效应的因素,(1)辐射的种类：电离密度和穿透能力 (2) 辐射剂量：一般情况存在剂

29、量效应关系（非线性） (3) 辐射的剂量率 ：单位时间接受的照射剂量 (4)分次照射：效应低于一次照射 (5)照射部位：腹部盆腔头颈胸部四肢 (6)照射面积：照射面积越大，效应越显著 (7)照射方式：内照射、外照射（单向或多向）、混合照射,4、相对生物效应,RBE ,X或射线引起某一生物效应所需剂量,所观察的电离辐射引起相同生物效应所需剂量,RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。 意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电离辐射引起某一特定效应的效率的差别。 即：剂量相同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生相同效应，则不同种类的辐射所需的剂

30、量就不同。,LET与RBE的关系,RBE的变化是LET的函数（正相关） LET：100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下降，表明更多的射线并不能用于引起生物效应上，反而被浪费了,5、躯体效应和遗传效应,躯体效应（somatic effect）：受照射个体体细胞损伤而致本身发生的各种效应称为躯体效应。又可区分为全身效应（total body effect）和局部效应（local effect）。 如辐射所致的骨髓造血障碍、白内障等。 遗传效应（genetic effect）：受照射个体生殖细胞突变,而在子代身上表现出的效应称遗传效应。这是由于电离辐射造成受照者生殖细胞遗传物质的损伤，引起基因突变和染色体畸变，导致后代先天畸形、流产、死胎和某些遗传性疾病。,近期效应（early effect）或者早期效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后短期(数周内)就出现的那些效应。 如急性放射病，急性皮肤损伤等。 远期效应（late effect）或者远后效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后数月至数年才出现的那些效应（一般6个月以上）。 如慢性放射病、致癌效应、放射性白内障、辐射遗传效应等,谢谢,